Введение к работе
Актуальность диссертационного исследования. Настоящая
работа посвящена разработке метода определения времени прихода
пространственно-кодированных сигналов радиосистем связи для решения
задач радиомониторинга. Известно, что востребованной задачей
радиомониторинга является определение местоположения
радиоэлектронных средств, в частности, мобильных станций (МС) в радиосистемах связи разностно-дальномерным методом путём измерения разности времени прихода в разнесённых пунктах наблюдения относительно единой шкалы времени системы синхронизации. Ошибка измерения координат МС связана с неточностью оценки времени прихода сигнала и может быть вызвана как влиянием канала распространения радиоволн, так и внутренними шумами приёмной аппаратуры.
В современных системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) высокая скорость передачи данных достигается путём увеличения количества передающих и приёмных антенн. Обычно в системах связи использовалась одна передающая и одна приемная антенна (SISO - Single Input Single Output), что зачастую ограничивало возможности системы. Технология МГМО (Multiple Input Multiple Output) предполагает одновременное излучение пространственно-разнесёнными антеннами сигналов, содержащих разные передаваемые сообщения в заданной полосе частот, и приём излученных сигналов таким же количеством антенн.
В последнее время широкое распространение получили сотовые системы ШБД, такие как WiMAX и LTE, использующие OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) модуляцию и технологию MIMO.
Совместное использование технологии МІМО и модуляции OFDM определяют концепцию пространственного кодирования сигналов, которая описана в работах как отечественных авторов: В.Т. Ермолаев, А.Г. Флаксман, В.И. Слюсар, B.C. Сперанский и др., так и зарубежных: S. Alamouti, I.E.Telatar, G.J. Foschini и др.
Пространственное кодирование сигналов и их излучение разнесёнными в пространстве антеннами обуславливает некорректность классического подхода определения времени прихода таких сигналов, поскольку антенны излучают различные сигналы одновременно. В результате применения известных методов определения времени прихода сигнала, описанных, например, в работах М.И. Сколника, В.И. Тихонова, А.П. Трифонова, имеется неопределённость относительно того, время прихода какого из сигналов следует определять, если пространственно-разнесёнными антеннами излучается их совокупность. Учитывая, что антенны излучают различные сигналы, соответствующие передаваемым
сообщениям, одновременно в заданной полосе частот, то при определении времени прихода одного из излучаемых сигналов, другие сигналы являются помехой, снижающей точность определения координат МС.
В настоящей работе предлагаются алгоритмы определения времени прихода совокупности OFDM-сигналов, излучаемых одновременно пространственно-разнесёнными антеннами, для определения координат МС современных систем радиосвязи с технологией MIMO. Время прихода OFDM-сигналов определяется вычислителем по цифровым отсчётам принятых сигналов, записанных в память ЭВМ за длительность двух OFDM-сигналов, относительно момента времени, соответствующего первому цифровому отсчёту принятых сигналов и совпадающего с меткой времени единой шкалы системы синхронизации пунктов наблюдений.
Цель диссертационной работы - разработать алгоритмы определения времени прихода OFDM-сигналов радиосистем связи с технологией MIMO для определения координат мобильных станций.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:
-
Анализ методов обработки OFDM-сигналов и способов оценки передаточной функции канала распространения радиоволн (РРВ) в системах MIMO.
-
Разработка алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов в условиях многолучевого РРВ.
-
Теоретическая и экспериментальная проверка работы алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов и выработка рекомендаций по уменьшению среднеквадратического отклонения (СКО) оценки.
-
Создание экспериментальной базы данных по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом канале РРВ.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием имитационного моделирования, применением основ линейной алгебры и корреляционно-экстремальной теории.
Научная новизна работы:
-
Разработаны новые алгоритмы, повышающие точность оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов, прошедших многолучевой канал РРВ.
-
Впервые получены теоретические и экспериментальные результаты по зависимости СКО оценки времени прихода OFDM-сигналов от отношения сигнал/шум (ОСШ) в системах MIMO.
-
Экспериментально получена верхняя граница СКО оценки фазы элементов канальной матрицы, обеспечивающая увеличение
точности оценки времени прихода OFDM-сигналов в системах МГМО.
4. Получены новые экспериментальные результаты по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом приземном канале РРВ, создана база экспериментальных данных, которая может быть использована в НИОКР.
Результаты диссертационной работы защищены тремя патентами на полезную модель и одним патентом на изобретение.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты работы внедрены в реальную аппаратуру на предприятии ЗАО «Микран» (г. Томск), о чем свидетельствует акт внедрения. Результаты работы применяются в учебном процессе на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа.
Апробация результатов диссертации. Результаты работы были апробированы на международных и всероссийских конференциях:
Научная сессия ТУСУР-2009, г. Томск, 2009 г.;
XVI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация навигация связь», г. Воронеж, 2010 г.;
International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, Erlagol, Altai, 2011;
Научная сессия ТУСУР-2011», г. Томск, 2011 г.;
Научная сессия ТУСУР-2012», г. Томск, 2012 г.;
- Современные проблемы радиоэлектроники, г. Красноярск, 2013 г.
Личный вклад автора. Автором диссертационной работы
выполнена разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать радиосистемы связи с технологией MIMO. Им лично выполнена разработка алгоритмов определения времени прихода, а также их анализ путем моделирования и проведением эксперимента. Автор диссертационной работы участвовал в разработке экспериментального макета системы радиосвязи, а также в составлении программы и методики проведения экспериментов на городских и загородных трассах. Научные положения, выносимые на защиту:
-
Точность оценки времени прихода OFDM-сигналов MIMO, формируемая по одному из них, ограничивается системной помехой, которая растет с увеличением количества излучающих антенн.
-
Предложенный алгоритм обработки OFDM-сигналов радиосистемы связи с технологией MIMO с учётом их пространственно-временного кодирования и оценок передаточной функции канала распространения радиоволн позволяет уменьшить среднеквадратическое отклонение оценки времени прихода для систем МГМО 2x2 не менее чем в два раза по сравнению с одноантенной системой.
-
Увеличение точности оценки времени прихода OFDM-
сигналов в радиосистемах связи, использующих технологию MIMO, достигается при среднеквадратичном отклонении оценки фазы коэффициентов передачи канала распространения радиоволн не хуже 0.1 радиан.
Публикации. По теме работы опубликовано 19 научных работ, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 публикаций в материалах конференций, 2 коллективных монографии, 4 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, двух приложений, списка литературы, включающего 105 источников. Основная часть работы изложена на 151 странице машинописного текста. Работа содержит 153 рисунка и 33 таблицы.
